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        基于五面LED-CAVE虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的水電站檢修仿真系統(tǒng)研究與應用

        2022-02-25 09:45:54呂毅松孔吉宏丘恩華王宇軒
        科技和產(chǎn)業(yè) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:攝像頭水電站虛擬現(xiàn)實

        呂毅松,孔吉宏,施 濤,丘恩華,吳 超,王宇軒,羅 茜

        (1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司,廣州 510630;2.中冶智誠(武漢)工程技術(shù)有限公司,武漢 430073)

        虛擬現(xiàn)實技術(shù)(virtual reality,VR)匯集了計算機圖形學、多媒體技術(shù)、人工智能、人機交互技術(shù)、傳感器技術(shù)、高度并行的實時計算技術(shù)和人的行為學研究等多項關(guān)鍵技術(shù)[1]。

        近年來,借助虛擬現(xiàn)實技術(shù),員工在水電站檢修仿真中有了更好的實踐體驗[2]。仿真培訓相較于傳統(tǒng)的技能培訓更能及時反饋出問題,虛擬真實的場景更能直觀地表達和傳遞更多的信息內(nèi)容。水電站培訓的過程更強調(diào)實操培訓和注重實踐能力[3]。為了提高學員在工作中遇到各種情況的應變能力以及承受能力,同時在保證人員安全的情況下,借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計開發(fā)相關(guān)的檢修仿真系統(tǒng),讓員工在虛擬的環(huán)境下進行培訓,體驗創(chuàng)新的培訓形式。

        1 虛擬現(xiàn)實仿真方式

        目前基于三維可視化引擎研發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)基本上屬于以下幾種形式:①使用三維引擎,在圖形工作站PC端研發(fā)相關(guān)系統(tǒng),交互設(shè)備采用鼠標鍵盤等方式進行[4];②使用三維引擎,借助虛擬現(xiàn)實頭盔當作交互外設(shè),用戶可通過虛擬現(xiàn)實的頭顯置身虛擬場景當中,左右手分別持虛擬現(xiàn)實手柄來對場景進行交互[5]。

        但這兩種方式在檢修培訓中都會有不同的優(yōu)缺點。第一種方式的培訓系統(tǒng)可以實現(xiàn)檢修培訓課件的交互設(shè)計及拆裝流程,但用戶的操作局限在鼠標、鍵盤上,對虛擬場景中的模型零件拆裝認知比較單一,鼠標鍵盤的操作方式不能給受訓者帶來深刻的培訓體驗,沒有代入感;第二種方式的培訓系統(tǒng)相對于第一種則大大增強了用戶的操作體驗,在全沉浸式的視野中利用虛擬手柄對設(shè)備機組模型進行交互,但是這種方式只適用于單人培訓,并且視野非常有限。

        本系統(tǒng)利用三維精確建模構(gòu)建水電廠的虛擬三維場景,能夠有效增強培訓對象的視聽感受,強化其對學習內(nèi)容的理解;利用三維引擎和數(shù)據(jù)庫構(gòu)建設(shè)備拆裝、檢修流程及應急演練等實操場景;利用虛擬現(xiàn)實沉浸式頭盔和體感交互設(shè)備進一步增強場景直觀感受。該方法通過虛擬現(xiàn)實仿真,能夠逼真直觀地構(gòu)建整個電廠的三維場景,在三維場景基礎(chǔ)上通過業(yè)務培訓內(nèi)容模擬電廠巡視、倒閘、檢修等日常操作,培訓過程中操作安全、沉浸度高、直觀性強、培訓周期短,具有良好的應用前景。

        2 系統(tǒng)架構(gòu)與系統(tǒng)實現(xiàn)

        2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

        如圖1所示,本實例提供了一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的水電站檢修仿真培訓系統(tǒng),通過虛擬現(xiàn)實平臺將水電站三維模型與五面LED-CAVE顯示系統(tǒng)進行整合,通過虛擬現(xiàn)實平臺編寫交互邏輯功能程序,賦予靜態(tài)的水電站三維模型交互能力。

        圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

        平臺層包括沉浸式虛擬檢修仿真平臺、3D運行仿真培訓平臺及3D打印應用開發(fā)平臺。其中沉浸式檢修平臺為五面LED-CAVE沉浸式虛擬仿真系統(tǒng),五面LED顯示屏、光學跟蹤定位系統(tǒng)以及信號同步顯示系統(tǒng),平臺層位于應用層和數(shù)據(jù)層之間,用于提供沉浸式虛擬仿真環(huán)境。

        應用層利用虛擬現(xiàn)實平臺將數(shù)據(jù)層的模型數(shù)據(jù)、培訓業(yè)務數(shù)據(jù)與平臺層的仿真系統(tǒng)進行整合,實現(xiàn)場景漫游功能、設(shè)備認知功能、透視展示功能、剖切展示功能、設(shè)備拆解功能、設(shè)備安裝功能、信息呈現(xiàn)功能以及虛實交互功能。

        2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

        系統(tǒng)組成如圖2所示。

        圖2 系統(tǒng)組成

        2.2.1 五面LED-CAVE系統(tǒng)

        五面LED-CAVE沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)由五面LED顯示屏幕和鋼結(jié)構(gòu)框架構(gòu)成一個半封閉式盒體結(jié)構(gòu)[6],鋼結(jié)構(gòu)框架包括五面屏幕的安裝框架以及用于撐起五面LED顯示屏幕的支腳,實現(xiàn)五面LED-CAVE顯示屏的無縫拼接同步顯示[7],提高了用戶的沉浸式虛擬現(xiàn)實體驗感。

        2.2.2 光學跟蹤定位系統(tǒng)

        光學跟蹤定位系統(tǒng)[8]包括光學跟蹤計算機和光學跟蹤相機;光學跟蹤相機包括4個主攝像頭、2個輔助攝像頭;主攝像頭/輔助攝像頭內(nèi)部配置有低噪聲CCD芯片以及對拍攝數(shù)據(jù)進行優(yōu)化的FPGA芯片。4個主攝像頭分別設(shè)置在五面LED顯示屏幕左幕的前上方、前下方以及右幕的前上方、前下方4個位置;2個輔助攝像頭分別設(shè)置在頂幕的后方兩側(cè);主攝像頭、輔助攝像頭均為紅外發(fā)射攝像頭。光學發(fā)射攝像頭的有效捕捉距離為4.5 m以內(nèi),最佳捕捉距離為3.5~4.5 m,經(jīng)過光學跟蹤光路圖模擬試驗證明,這種安裝結(jié)構(gòu)既能保證畫面的完整性,又能保證操作者最大限度的有效活動范圍。

        2.2.3 信號同步顯示系統(tǒng)

        信號同步顯示系統(tǒng)包括多臺圖形工作站、無線信號發(fā)射器和無線信號接收器;多臺圖形工作站均配置有顯卡和同步卡;無線信號接收器安裝在3D眼鏡內(nèi)部,用于接收無線信號發(fā)射器發(fā)出的控制指令;多臺圖形工作站通過同步卡實現(xiàn)同步控制。3D眼鏡內(nèi)部設(shè)有無線信號接收器和控制器;3D眼鏡的2個鏡片內(nèi)部均設(shè)有液晶層;無線信號接收器用于接收無線信號發(fā)射器發(fā)送的控制信號,控制器用于根據(jù)控制信號控制3D眼鏡的兩個鏡片切換顯示。3D信號同步顯示系統(tǒng)根據(jù)3D眼鏡的空間位姿信息生成左右眼兩組畫面圖像,并將該兩組畫面在五面LED顯示屏幕上交替顯示;3D信號同步顯示系統(tǒng)通過無線的通信方式向3D眼鏡發(fā)送控制指令,控制3D眼鏡的左右兩個鏡片切換顯示,該兩個鏡片的切換頻率與兩組畫面的交替頻率保持同步。

        3 平臺功能實現(xiàn)

        3.1 沉浸式仿真平臺構(gòu)建方法

        本系統(tǒng)提供了一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的水電站仿真培訓系統(tǒng)的構(gòu)建方法。具體包括以下步驟:構(gòu)建水電站環(huán)境和設(shè)備的三維模型;對三維模型的操作流程進行設(shè)計;對三維模型的碰撞體進行設(shè)計;對三維模型的拆裝過程進行設(shè)計;對三維模型的交互進行設(shè)計,實現(xiàn)培訓對象與虛擬環(huán)境之間的互動。

        1)構(gòu)建水電站環(huán)境和設(shè)備的三維模型。采用三維激光掃描儀和圖紙獲取廠區(qū)廠房、建構(gòu)筑物、設(shè)備的三維數(shù)據(jù)[9],采用無人機航拍測量技術(shù)獲取水電站地形地貌的特征數(shù)據(jù)[10];根據(jù)獲取的三維數(shù)據(jù)和水電站地形地貌的特征數(shù)據(jù),采用3ds Max建模工具建立廠區(qū)廠房結(jié)構(gòu)、建構(gòu)筑物、設(shè)備的三維模型以及水電站的外觀模型;將建立好的模型合并為三維場景,并對合并后的三維場景進行編輯和設(shè)置;對三維場景和模型進行優(yōu)化。

        2)對三維模型(以導葉接力器為例)的操作流程進行設(shè)計。導葉接力器拆卸流程分為接力器拆解與接力器解體兩大環(huán)節(jié),其中接力器拆解分為20步,接力器解體分為15步,每一步都對應了相應的零件模型,對照模型操作規(guī)程逐一分析模型的拆卸邏輯,設(shè)計合理的模型場景,可優(yōu)化對設(shè)備模型拆卸的邏輯編程代碼,提高用戶操作交互設(shè)備的流暢性。

        3)在虛擬場景中,用戶與目標模型的互動主要靠虛擬引擎中的“碰撞體”,利用用戶手中的操作手柄射線與碰撞體發(fā)生碰撞,系統(tǒng)即可獲取相應的碰撞事件響應。三維模型的碰撞體包括盒子碰撞體和網(wǎng)格碰撞體[11];盒子碰撞體是以性能為主的AABB盒子碰撞設(shè)計方式,即軸對齊包圍盒,利用長方體對三維模型進行包圍,立方體的每一條邊都平行于一個坐標平面且與坐標系的軸垂直;網(wǎng)格碰撞體是以模型本身生成復雜網(wǎng)格碰撞體設(shè)計方式,在模型的本體輪廓上形成基于網(wǎng)格的碰撞體,這種方式會消耗更多的顯卡資源,但是在用戶操作時會精準地捕捉到不規(guī)則物體或者細小零件。

        4)虛擬現(xiàn)實拆裝技術(shù)實質(zhì)上是一個人機系統(tǒng)運動的過程,主要是對仿真場景中的操作動作以及人與虛擬模型之間的交互作用的仿真;本實例基于運動捕獲數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)和關(guān)鍵幀的仿真動畫技術(shù)相結(jié)合,以此模擬虛擬模型的拆裝運動;三維模型的拆裝過程設(shè)計方法為:定義每項拆裝任務的運動對象,然后對該運動對象的運動信息進行描述,建立該運動對象的拆裝運動模型。

        3.2 平臺實現(xiàn)功能

        1)參數(shù)化精確建模技術(shù)在水電廠的應用。參數(shù)化建模設(shè)計是通過修改已定義好的零件參數(shù),或調(diào)整圖形的某一部分或某幾部分的尺寸,自動完成對圖形中相關(guān)部分改動,從而實現(xiàn)對圖形的驅(qū)動。參數(shù)化設(shè)計廣泛應用于機械產(chǎn)品的建模中,即建立圖形約束和幾何關(guān)系與尺寸關(guān)系的對應關(guān)系,由尺寸參數(shù)值的變化直接控制實體模型的變化。參數(shù)化設(shè)計極大地改善了圖形的修改手段,提高了設(shè)計的柔性,在概念設(shè)計、動態(tài)設(shè)計、實體造型、裝配、公差分析與綜合、優(yōu)化設(shè)計等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。

        2)沉浸式虛擬仿真平臺精確物理仿真功能。沉浸式虛擬檢修仿真平臺不僅要求能夠提供逼真的沉浸式視覺環(huán)境和準確的交互操作體驗,還應能實現(xiàn)模型的精確物理仿真,即平臺支持模型物理屬性的定義、編輯和取消,以及模型剛體運動、場景重力、粒子運動、環(huán)境阻尼以及復雜機構(gòu)力學聯(lián)動的物理仿真,使模型具有更真實的物理屬性。

        3)沉浸式虛擬交互裝配技術(shù)。沉浸式虛擬交互裝配技術(shù),包括實時三維計算機圖形技術(shù),立體顯示技術(shù),對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù),以及立體聲、網(wǎng)絡(luò)傳輸、語音輸入輸出技術(shù)等,可為培訓者提供一個高度仿真的虛擬環(huán)境。在具有沉浸感與交互性的虛擬環(huán)境中,通過人機交互設(shè)備和場景里所有物件進行交互,體驗實時的物理反饋,進行模型自由剖切透視[12]、設(shè)備模擬拆裝等交互操作。

        4 工程實例

        南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司水電廠沉浸式虛擬檢修仿真平臺搭建了沉浸式虛擬檢修仿真平臺,將水電廠廠房場景模型、設(shè)備精細模型載入并實現(xiàn)水電廠場景漫游、設(shè)備透視漫游、屬性量測、標記、模型剖切、材質(zhì)更換、應急處置演練、設(shè)備虛擬拆裝檢修、多人異地協(xié)同等功能,為現(xiàn)場檢修提供輔助決策,為電力提供全新的深度體驗、高度仿真的學習體驗[13]。工程實例運行如圖3所示。

        圖3 工程實例運行

        5 結(jié)論

        為了提高學員在工作中遇到各種情況的應變能力以及承受能力,同時在保證人員安全的情況下,本研究提出借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計開發(fā)相關(guān)的檢修仿真系統(tǒng),讓員工在虛擬的環(huán)境下進行培訓,體驗創(chuàng)新的培訓形式。

        基于五面LED-CAVE虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的水電站檢修仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了參數(shù)化精確建模技術(shù)在水電廠的應用、沉浸式虛擬仿真平臺精確物理仿真功能、沉浸式虛擬交互裝配技術(shù)、虛擬場景多人異地協(xié)同交互技術(shù)、沉浸式檢修平臺與運行仿真平臺跨平臺交互功能,使得水電站在培訓過程實踐操作能力得到大幅度提升。

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